La porosità nei materiali usati a scopo ingegneristico è spesso indesiderata. Tuttavia la porosità può anche avere degli effetti benefici come la riduzione del peso e dei costi, l’isolamento termico ed acustico ed infine la resistenza specifica. Per questo motivo le strutture cellulari trovano vasto impiego in diversi campi di applicazione quali: automotive, aeronautico e navale. Negli ultimi anni l’attenzione è stata focalizzata su tale tipologia di struttura in quanto combina ottime caratteristiche meccaniche e basso peso.
Il metodo per produrre schiume generalmente consiste di due fasi: la prima è quella della creazione delle bolle, la seconda è la loro stabilizzazione all’interno delle matrici. I principali sistemi per produrre schiume sono essenzialmente due: la schiumatura fisica e quella chimica. La prima è generalmente utilizzata per i termoplastici: il polimero fuso e l’agente schiumate sono coinvolti nella reazione per la generazione della schiuma. Il secondo, utilizzato nei termoindurenti, prevede l’utilizzo di reagenti per la generazione di gas. In entrambi i casi, sono necessari gli stessi step al fine di ottenere una schiuma:
• Inserimento di gas
• Espansione del gas
• E stabilizzazione della schiuma
Generalmente vengono utilizzati solventi organici ( esano e ciloesano) come agenti schiumanti; in alternativa si possono utilizzare agenti chimici che rilascino gas durante la reazione di polimerizzazione. In questo caso una schiuma epossidica è sinterizzata con un valore prestabilito di amina (agente schiumante) per innescare la schiumatura. Il polimero che ha la funzione di matrice quindi è sempre processato allo stato liquido attraverso l’utilizzo di un plastificatore per i termoplastici o di un mixer per i termoindurenti [92].
La schiumatura allo stato solido, invece, è un processo totalmente differente dai sistemi utilizzati in commercio. Sono stati fatti notevoli progressi su questa tecnologia evidenziando la possibilità, non solo di produrre schiume con ottime caratteristiche meccaniche, ma anche di
148 poterle rinforzare con macro, micro e nano cariche per allargare ancor di più in campi di applicazione.
La schiumatura allo stato solido è una nuova tecnologia che porta alla creazione di una nuova classe di materiali. Il processo di schiumatura è stato chiamato allo stato solido per la sua analogia con le schiume prodotte attraverso la polvere di titanio. Nelle schiume di titanio, infatti, la schiumatura è indotta dall’espansione in pressione di argon nel titanio a 860°C. Il primo step consiste in una pressatura a caldo isostatica della polvere metallica in presenza di gas inerti. Il risultato è un compattato con una bassa frazione di gas intrappolato all’interno. Nel momento in cui viene inserito in un forno ad alta temperatura alla pressione ambiente, i pori pressati espandono per creep indotto nel materiale che lo circonda generando la struttura schiumosa. Cicli termici possono aumentare l’efficienza della schiumatura inducendo, inoltre, la trasformazione superplastica della matrice di titanio. Tuttavia può essere ottenuta al massimo il 45% di porosità attraverso questa tecnologia provocando quindi al massimo un dimezzamento della densità iniziale [93]. Nelle resine termoindurenti, le polveri compattate senza aggiunta di nessun agente schiumante sono inserite all’interno di un forno e portate ad alte temperature. La temperatura alta è necessaria affinché il polimero possa fluire generando così le bolle. Nessun agente schiumante è precedentemente inserito perché il meccanismo di generazione delle bolle dipende solamente dal punto di ebollizione della resina non curata. A seguito quindi dell’ebollizione si raggiungono valori molto bassi di densità [94].
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Figura 101 Layout del processo di schiumatura
La figura 101 mostra il layout del processo di fabbricazione delle schiume. Grazie alla compattazione la polvere può essere facilmente trasformata in una pasticca attraverso l’utilizzo di uno stampo di acciaio. La pasticca, quindi, è successivamente inserita in un forno dove avviene la schiumatura ad alta temperatura. In 91 è stata fotografata la sezione sia della pasticca che della schiuma ottenute con una resina epossidica vergine. In questo caso la schiumatura è stata ottenuta in aria mettendo la pasticca in forno in un tubo di rame con un diametro interno uguale a quello della pasticca. Per evitare il diretto contatto tra il tubo e la resina che porterebbe ad una difficile estrazione del pezzo, è stato usato un sottile foglio di alluminio sia sulle pareti laterali del tubo che sul fondo.
150 La seguente tecnologia permette di schiumare rapidamente pasticche di resina termoindurente senza l’aggiunta di alcun agente schiumante (generalmente tossico), ma solo attraverso una forte adduzione di calore che raggiunge il valore del punto di ebollizione della resina. Per questo motivo la scelta della polvere è fondamentale; infatti, è necessario che la polvere abbia una temperatura di transizione vetrosa sufficientemente alta da poter garantire la sua densificazione attraverso la compattazione a freddo evitando l’innesco di fenomeni di degrado nel materiale. Durante l’ebollizione, la resina polimerizza e le bolle diventano sempre più stabili. La temperatura tuttavia non deve essere eccessivamente alta al fine di evitare che la resina bruci o si degradi, infatti, in questo caso la cinetica sarebbe più veloce della polimerizzazione.
In questo innovativo processo di fabbricazione le pasticche compattate sono inserite in un forno ad altissime temperature e durante la transizione termica tra la temperatura ambiente e quella del forno la resina bolle ed indurisce. L’ebollizione è immediata, ma la polimerizzazione richiede tempo e proprio durante questo tempo che le bolle possono formarsi all’interno della pasticca. Dalla sezione di figura 101 è evidente che il processo di ebollizione è stato raggiunto nel momento in cui la resina raggiunge una temperatura pari al punto di gel; momento in cui non è più possibile generare bolle. Analizzando la figura si può notare, inoltre, come la schiuma presenti bolle di dimensioni differenti lunga l’altezza con conseguenti variazioni di densità da attribuire a un’adduzione di calore disomogenee durante la schiumatura.
In contrapposizione con la temperatura di schiumatura, tutti gli altri possibili parametri di processo (pressione di compattazione, velocità di compattazione, tempo di impacchettamento, altezza della pasticca) hanno una bassissima influenza sul pezzo finale. Il processo di schiumatura è dominato dal trasferimento di calore; infatti, anche la resina non compattata può bollire, ma la densità finale rimane molto elevata. Durante la compattazione tutti i cambiamenti che si possono fare per incrementare la densità della resina, portano ad una drastica riduzione della densità della schiuma. Evidentemente, incrementando la densità della pasticca, il trasferimento di calore nella pasticca aumenta e l’ebollizione è più efficiente. Infatti, se la superficie laterale della schiuma polimerizza prima che la zona centrale vada in ebollizione, il risultato finale sarà una pessima schiumatura.
Per il meccanismo di ebollizione, quindi, è possibile raggiungere bassissimi valori di densità. In figura 101 si può notare come la schiuma sia cresciuta 6 volte rispetto all’altezza della pasticca. Tuttavia il rapporto superficie volume che è a diretto contatto con il tubo ha un forte effetto sulla schiumatura finale. Nel caso di figura 101 il diametro della pasticca è di 10 mm come l’altezza. La figura 102 mostra l’effetto del rapporto superficie/volume sulle schiume.
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Figura 102 Effetto della dimensione della pasticca sull’efficienza di schiumatura
La dimensione della pasticca iniziale varia tra 10 a 30 mm, mentre l’altezza resta costante e pari a 5 mm. Come conseguenza, la pasticca con un diametro inferiore ha un rapporto superficie/volume più grande rispetto alle altre che comporta una crescita maggiore della schiuma. Inoltre questo rapporto ha degli effetti anche sulla distribuzione e forma delle bolle. Questo aspetto è molto importante perché le bolle determinano le proprietà meccaniche del pezzo.
152 La Figura 103 mostra come una schiuma di epossidica a struttura più compatta ha un maggior valore del carico di plateau a compressione rispetto all’altra, ma una minore duttilità. Tuttavia, in entrambi i casi, le proprietà meccaniche sembra essere ottimali. Infatti, in una tipica curva di compressione di una schiuma, la curva stress-strain può essere divisa in tre parti. Nella prima parte, a bassi valori di strain, lo stress incrementa bruscamente in modo quasi lineare fino a quando la schiuma reagisce non smette di reagire in modo rigido. Successivamente, le bolle incominciano a collassate e nella curva si riscontra il tratto di plateau. Tale plateau rimane inalterato per un grande tratto di deformazione nel quale la schiuma dissipa l’energia data dalla compressione attraverso la rottura delle bolle. Nell’ultima parte della curva, si riscontra un repentino aumento del carico da attribuire alla densificazione del materiale e la sua ormai totale incapacità di dissipare energia. In entrambi i casi è comunque presente un’ampia zona di plateau e il valore dello stress è in linea con quelli riscontrati in letteratura scientifica per schiume di epossidica a celle chiuse [95].